转矩传感器模块及基于该转矩传感器模块的电动自行车的制作方法

本实用新型涉及传感器技术，特别涉及一种转矩传感器模块及基于该转矩传感器模块的电动自行车。

背景技术：

目前绝大部分电动自行车都支持助力模式以辅助用户骑行。现有技术中基于多种传感器均可实现助力模式，如速度传感器、中轴转矩传感器、后轴勾爪传感器等。

应变片检测方案简单易实现、成本低且可靠性高，目前已经成为最具性价比的中轴转矩传感器方案。但是，应变片需设置在中轴上，至使传感器的数据采集电路也必须固定设置在中轴上，增大了数据采集电路的供电和数据传输的难度。

因此，需要一种更为简单易实现、且高效的传感器模块。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种转矩传感器模块及基于该转矩传感器模块的电动自行车，以更为简单易实现的传感器模块高效地实现数据采集。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种转矩传感器模块，包括：转矩感应器，包括应变片，适于设置在转动部件上，用于在测量到应变信号时，输出电压信号；信号转换电路，与转矩感应器关联地设置在转动部件上，用于将转矩感应器输出的电压信号转换为转矩数据；无线数据发射端，与信号转换电路关联地设置在转动部件上，用于将转矩数据发送到与无线数据发射端对应的无线数据接收端；电池模块，包括一个或多个可更换的电池，用于为转矩感应器、信号转换电路和/或无线数据发射端提供工作电压；以及无线数据接收端，适于设置在非转动部件上，用于接收无线数据发射端发送的转矩数据，并将转矩数据发送给控制器进行处理。

可选地，无线数据发射端和无线数据接收端基于射频无线通讯方式，实现转矩数据的传输。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种电动自行车，包括：电动自行车车体，电动自行车车体至少包括电机；如上的转矩传感器模块，适于设置在电动自行车车体上，以作为电动自行车的力矩传感器；控制器，适于设置在该电动自行车车体上，并与转矩传感器模块以及电机连接，用于基于从转矩传感器模块获取的转矩数据来控制电机输出的驱动力，以实现对电动自行车的助力控制。

可选地，所述转动部件是所述电动自行车的中轴，所述无线数据接收端设置在所述电动自行车车体的非转动部件上。

由此，通过本实用新型的转矩传感器模块，以可更换电池的电池模块来供电，免去复杂的无线供电电路，降低了实施成本。采用射频无线通讯方式来传输数据，传输速度快、传输距离远且抗干扰能力强，并且，也不限制无线数据接收端的安装位置，提升了实施灵活性。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的转矩传感器模块的示意性框图。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的电动自行车的示意性框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

目前绝大部分电动自行车都支持助力模式，现有两种技术方案可实现助力模式，一种是速度传感器，另一种是力矩传感器。

速度传感器可以采集到用户踩踏板的速度，并根据踏板速度来控制电动自行车的电机输出，电机输出的驱动力与踏板速度成正比，进而实现助力的目的。

基于速度检测的助力方案，在普通路况下有一定的助力效果。但在遇到逆风或上坡等高阻力、高负荷的路况的情况下，车体本身车速较低，电机输出的驱动力也较小，因而，无法达到助力的目的，骑行效果较差。

力矩传感器可以采集到用户踩踏板的力度，根据踩踏力度大小来控制电动自行车的电机输出，电机输出的驱动力与踩踏力度成正比，可以实现更好的助力效果。

根据采集踩踏力度的位置不同，力矩传感器分成两种，一种是中轴转矩传感器，另一种是后轴勾爪传感器。

后轴勾爪传感器一般安装在后上叉和后下叉的结合处，当用户用力踩踏板时，踩踏力度通过脚踏、曲柄、牙盘、链条、飞轮、后花鼓、车架等一系列零部件传递到力矩传感器。由于每个环节的零部件都是弹性体，力量在传输过程中均会产生损耗，再加上金属的“弹性滞后”效应，导致测量数值误差大，而且还会有测量延时，无法实现理想的助力效果。

中轴转矩传感器安装在电动自行车的中轴位置，当用户用力踩踏板时，踩踏力度通过踏板、曲柄传递到中轴，从而导致中轴产生形变。中轴转矩传感器通过检测中轴的形变，来判断人踩踏板的力度大小。这种方式测量数值误差小，几乎零延时，能实现非常好的助力效果。

目前，中轴转矩传感器有几种实现方案：逆磁致伸缩效应方案、转矩位移转换方案、应变片检测方案、转矩磁阻转换方案。其中，应变片检测方案简单易实现、成本低且可靠性高，目前已经成为性价比最高的中轴转矩传感器方案。

但是，应变片检测方案仍然有一个技术难点，即，由于应变片是贴在中轴上的，因此采集电路也必须固定在中轴上。而中轴又是在不断旋转的，采集电路的供电和数据传输就变得困难。

针对上述问题，传统的解决方案有两种：接触式方案和非接触式方案。

接触式方案通常使用滑环来供电和信号传输，但这种方案存在寿命问题，长时间使用滑环会产生磨损，导致信号传输不稳定。

非接触式方案通常使用近场无线供电和无线通讯技术，但这种方案成本高、实施困难且可靠性低。并且，通讯部分容易受到供电部分的干扰，近场通讯的稳定性也容易受车身形变影响。

有鉴于此，本实用新型提出了一种改进的转矩传感器模块，通过以可更换电池的电池模块来供电，免去复杂的无线供电电路，降低了实施成本。采用传输速度快、传输距离远且抗干扰能力强的射频无线通讯方式来传输数据。并且，也不限制无线数据接收端的安装位置，提升了实施灵活性。

如下将结合附图及实施例详细说明本实用新型的转矩传感器模块。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的转矩传感器模块的示意性框图。

如图1所示，本实用新型的转矩传感器模块100可以包括转矩感应器110、信号转换电路120、无线数据发射端130、电池模块140、无线数据接收端150。

转矩感应器110、信号转换电路120、无线数据发射端130、电池模块140适于关联地设置在转动部件上，无线数据接收端150适于设置在非转动部件上。其中，转动部件和非转动部件可以根据该转矩传感器模块的实际安装情况确定，当将该转矩传感器模块安装在电动自行车上时，转动部件可以是该电动自行车的中轴，非转动部件可以是该电动自行车的非转动位置。

转矩感应器110可以包括应变片，用于在测量到应变信号时，输出电压信号。在一个优选实施例中，该转矩感应器110可以是由应变片构成的平衡电桥，在测量到应变信号时，在该平衡电桥的两中点处输出电压差信号作为采集的电压信号。其中，应变信号可以是在外力作用下，转动部件产生的形变，如转动。

信号转换电路120与转矩感应器110连接，可以采集转矩感应器输出的电压信号，并对该电压信号进行放大和模/数转换等处理，以将该电压信号转换为数字化的转矩数据。

无线数据发射端130与信号转换电路120连接，可以将经由信号转换电路转换后的转矩数据，发送到与该无线数据发射端对应的无线数据接收端。

电池模块140可以包括一个或多个可更换的电池，该电池模块140可以为上述转矩感应器110、信号转换电路120以及无线数据发射端130提供工作电压。这样，可以将数据采集电路由传统的复杂的有线供电改进为可更换的电池供电，使得供电设施更为简单、方便。

无线数据接收端150能够接收到无线数据发射端发送的转矩数据，并将转矩数据发送给控制器进行处理。

在一个优选实施例中，无线数据接收端150适于设置在非转动部件上，并使得无线数据发射端与无线数据接收端可以以非接触的方式，例如无线通讯方式，实现转矩数据的传输，极大简化了数据传输。

在一个优选实施例中，无线数据发射端和无线数据接收端可以基于射频无线通讯方式，实现转矩数据的传输。相比而言，射频无线通讯方式传输数据的速度更快、距离更远且抗干扰能力更强，能够保障数据、信号的稳定传输。并且，基于这种通讯方式，无线数据接收端的安装位置将不会收到限制，也提升了该转矩传感器模块的实施灵活性。

另外，上述转矩传感器模块可以被应用于电动自行车，以为用户提供更好的骑行助力。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的电动自行车的示意性框图。

如图2所示，本实用新型的电动自行车200可以包括电动自行车车体210、如前转矩传感器模块220和控制器230。

电动自行车200可以是常见的电动自行车，是包括该电动自行车的车架、车轮、电机、蓄电池、转把/闸把等操纵部件和显示仪表系统的机电一体化的个人交通工具。其中，电动自行车车体210可以包含电动自行车中除力矩传感器和控制器外的全部部件，至少包括了电机。

转矩传感器模块220适于设置在该电动自行车车体上，以作为该电动自行车的力矩传感器，实现更好的助力效果。

控制器230适于设置在该电动自行车车体上，并与转矩传感器模块以及电动自行车的电机连接，用于基于从该转矩传感器模块获取的转矩数据来控制电机输出的驱动力，以实现对电动自行车的助力控制。

在其中，控制器可以以有线连接的方式与转矩传感器模块以及电机连接。具体地，控制器基于连接线与转矩传感器模块中的无线数据接收端以有线连接，以从该无线数据接收到获取来自无线数据发射端的转矩数据。控制器基于连接线与电机连接，以向该电机输出与该转矩数据相对应的驱动力，由此实现对电动自行车的助力控制。

在一个优选实施例中，适于设置转矩传感器模块的转矩感应器的转动部件可以是电动自行车的中轴，适于设置转矩传感器模块的无线数据接收端的非转动部件可以是电动自行车的非转动部件。其中，中轴是连接电动自行车两边脚踏板的轴，安装在车架五通处。

另外，控制器除了可以是控制电机转速的部件，也是电动自行车电气系统的核心，具有欠压、限流或过流保护功能。控制器还可以是电动自行车车能量管理与各种控制信号处理的核心部件。智能型控制器还具有多种骑行模式和整车电气部件自检功能。本实用新型在此不对控制器的功能进行限定。

另外，本实用新型的转矩传感器模块还可以应用于其它需要助力的场景中，本实用新型对此也不作限制。

上文中已经参考附图1-2详细描述了根据本实用新型的转矩传感器模块以及基于该转矩传感器模块的电动自行车。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。